CN116101478B - 用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法，涉及共轴双桨无人机变距控制技术领域，包括上下桨机构和旋转斜盘机构，所述上下桨机构包括上桨组件、上桨驱动电机、下桨组件和下桨驱动电机；所述下桨组件通过轴承设置在微型共轴双桨无人机主体的端部，所述下桨驱动电机设置在下桨组件上。本发明可以在微型共轴双桨无人机高速飞行时，采用上桨单独动作的方式实现上桨螺距控制，变距控制更加平顺精细，变距幅度更大，对升力偏置带来的姿态偏转进行修正，大大提高了微型共轴双桨无人机的飞行安全性，减小高速运行中的打桨风险，并提高升力。

Description

用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法

技术领域

本发明涉及共轴双桨无人机变距控制技术领域，尤其是涉及用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法。

背景技术

共轴双桨无人机的气动布局原理类似于常见的直升机。其与直升机不同的是共轴双桨气动布局取消了直升机上常见的尾桨，使用了两个直径相同共轴布置的螺旋桨。与直升机相同的是，都使用了倾斜盘或者矢量转向装置，来控制飞行器的俯仰和横滚自由度。

微型共轴双桨单层变距无人机具有体积小、重量轻、噪声小等优势，可以手持、弹射、手抛、辅助架弹射等便捷的起飞方式。此类无人机结构紧凑，稳定性高，操纵效率和悬停效率较高，在军用单兵携带侦察和民用航空拍摄、空中监视等方便有着比较卓越的应用前景。

现有微型共轴双桨变距无人机采用下单层变距，而下单层变距结构高速飞行时有着机动能力不足和容易打桨等方面的缺点，且在高速飞行刹车时下桨因升力偏置影响发生打桨的概率较大。

发明内容

为了解决现有微型共轴双桨变距无人机采用下单层变距，而下单层变距结构高速飞行时有着机动能力不足和容易打桨等方面的缺点，且在高速飞行刹车时下桨因升力偏置影响发生打桨的概率较大的技术问题，本发明提供用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法。采用如下的技术方案：

用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，包括上下桨机构和旋转斜盘机构，所述上下桨机构包括上桨组件、上桨驱动电机、下桨组件和下桨驱动电机；

所述下桨组件通过轴承设置在微型共轴双桨无人机主体的端部，所述下桨驱动电机设置在下桨组件上，并驱动下桨组件转动，所述上桨组件通过旋转斜盘机构安装在下桨组件的上方，所述上桨驱动电机设置在上桨组件的顶部，并驱动上桨组件的转动，所述旋转斜盘机构控制上桨组件动作实现上桨组件的螺距控制。

通过采用上述技术方案，采用旋转斜盘机构驱动上桨单独动作的模式来实现上桨变距控制，避免上下桨旋翼面在高速飞行时因升力偏置影响发生打桨现象。

可选的，所述上下桨机构还包括下桨支撑件，所述下桨支撑件包括下桨支撑杆和下桨支撑座；

所述下桨支撑座与下桨支撑杆的一端固定连接，下桨支撑杆的另一端通过轴承可转动安装到微型共轴双桨无人机主体中，所述下桨驱动电机套装在下桨支撑杆的外壁上，下桨组件包括下桨毂和一对下桨叶，所述下桨毂套装在下桨支撑杆的外围，并与下桨驱动电机的主动轴的驱动下转动，一对下桨叶安装在下桨毂的两侧。

通过采用上述技术方案，下桨支撑件是整个微型共轴双桨无人机的动力部分的支撑件，可以实现自由转动，下桨支撑座为上桨组件及旋转斜盘机构提供安装平台。

可选的，所述旋转斜盘机构包括变距底座、第一舵机、浮动支撑座、第二舵机、变距支撑座、龙门式支撑架、上桨支撑件、第一连杆机构和第二连杆机构；

所述变距底座可拆卸安装在下桨支撑座上表面，所述第一舵机的壳体底部可拆卸安装在变距底座上表面，所述第二舵机的壳体底部可拆卸安装在第一舵机壳体上表面，所述龙门式支撑架底部可拆卸式安装在变距底座上表面的四周，所述变距支撑座安装在龙门式支撑架的顶部，并位于第二舵机的上方，变距支撑座中部设有轴连接结构，所述上桨支撑件包括上桨支撑座和上桨支撑杆，所述上桨支撑杆的一端可拆卸安装在轴连接结构处，上桨支撑座安装在上桨支撑杆的另一端，所述浮动支撑座套装在上桨支撑杆的外壁上，并位于上桨支撑杆的外壁上下移动，所述第一连杆机构的两端分别连接第一舵机的动力输出轴和浮动支撑座的一侧，所述第二连杆机构的两端分别连接第二舵机的动力输出轴和浮动支撑座的一侧。

通过采用上述技术方案，旋转斜盘机构需要实现的功能就是在正常驱动上桨组件转动的同时，实现单独上桨组件螺距的调整。

在正常运行时第一舵机和第二舵机的动力输出轴均处于自锁状态，上桨驱动电机的动力输出轴转动驱动上桨组件转动，下桨驱动电机的动力输出轴转动驱动下桨组件转动，上桨组件和下桨组件的配合下为整个微型共轴双桨无人机主体提供上升力；

当上桨组件和下桨组件运转，特别是高速时，任何的气流扰动都有可能使下桨组件和上桨组件的桨叶之间出现交集的可能性，这就是通常说的打桨情况，任何的打桨情况对于无人机都是重要事故，由于共轴双桨无人机的升力主要来自下方空气的反推力，如果采用下桨组件3动作的方式实现下桨组件3变距调整，首先结构上的限制导致调整的幅度较小，导致共轴双桨无人机机动性较差，升力也较差，如果采用上下桨组件1和3同时进行调整，结构上过于复杂，稳定性也较差，为了实现变距调整，避免这种打桨事故，采用上桨组件1单独变距的模式实现，大大减小了偏置升力对变距调整的阻力，可调整的螺距也更大，带来了更大的升力，同时大大提高了共轴双桨无人机的机动性，结构上更加简洁；

具体的，第一舵机的动力输出轴通过第一连杆机构可以实现上桨组件的整体偏转，从而实现变距，第二舵机的动力输出轴通过第二连杆机构可以实现对上桨组件的一定角度的偏转，从而校正偏置升力带来微型共轴双桨无人机主体姿态的偏转。

可选的，上桨组件包括上桨毂和一对上桨叶，所述上桨毂套装在上桨支撑杆的外围，并与浮动支撑座固定连接，跟随浮动支撑座上下移动，一对上桨叶安装在上桨毂的两侧，上桨驱动电机套装在上桨支撑杆的外围，动力输出轴与上桨毂连接。

通过采用上述技术方案，上桨组件实际上是随着浮动支撑座的偏转而偏转的，可以在浮动支撑座的带动下实现上桨单独变距。

可选的，所述旋转斜盘机构还包括导向件，所述导向件包括导向板和滑动杆，所述导向板中部设有长位孔，导向板的一端固定在变距支撑座上，并位于第一连杆机构与变距支撑座连接侧的对面，所述滑动杆的一端连接在浮动支撑座的一侧，另一端位于导向板的长位孔中上下移动。

通过采用上述技术方案，第一舵机通过第一连杆机构驱动上桨组件上下移动时，滑动杆在导向板的长位孔中移动，由于滑动杆与浮动支撑座固定连接，这样就为浮动支撑座提供了偏转导向。

可选的，所述上桨支撑座的上表面可用于挂载负载。

可选的，所述上桨支撑座的上表面可用于挂载电池包。

通过采用上述技术方案，上桨支撑座位于整个微型共轴双桨无人机的顶部，可以设置法兰结构，还可预装电气结构，可满足顶端挂载任务载荷实现不同载荷灵活切换应用，或增加电池模块组，实现续航里程的增加。

可选的，下桨支撑件和上桨支撑件均为中空结构，用于各个电器件走线。

通过采用上述技术方案，合理排列各部件之间的连接，最大化减少轴内过线数量，优化走线方式。

单层变距结构控制方法，实现微型共轴双桨无人机上桨单独变距，具体方法是：

当飞控系统控制下桨驱动电机驱动下桨组件的转速超过15转/秒时，飞控系统控制第一舵机的动力输出轴转动，通过第一连杆机构驱动浮动支撑座上升5-20°。

可选的，飞控系统读取陀螺仪的数据判断微型共轴双桨无人机主体100的飞行姿态，当判断飞行姿态出现与设定偏差时，飞控系统第二舵机64的动力输出轴转动，通过第二连杆机构69共同驱动浮动支撑座63偏转，实现上桨组件1的螺距的多维度螺距控制，校正升力角度实现飞行姿态的矫正。

通过采用上述技术方案，可以在微型共轴双桨无人机高速飞行时，采用上桨单独动作的方式实现上桨螺距控制，最大变距幅度高达20°，第一舵机62和第二舵机64的共同作用下可以实现更加平顺的变距调整，调整过程更加稳定，升力偏置带来的姿态偏转进行修正，大大提高了微型共轴双桨无人机的飞行安全性，减小高速运行中的打桨风险。

综上所述，本发明包括以下至少一种有益技术效果：

本发明能提供用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法，可以在微型共轴双桨无人机高速飞行时，采用上桨单独动作的方式实现上桨螺距控制，变距控制更加平顺精细，变距幅度更大，对升力偏置带来的姿态偏转进行修正，大大提高了微型共轴双桨无人机的飞行安全性，减小高速运行中的打桨风险，并提高升力；

上下桨的驱动电机分离，增加了上下桨之间的距离，降低下桨所受干扰气流的影响，提升飞行效率和高速飞行稳定性；

合理排列各部件之间的连接，最大化减少轴内过线数量，优化走线方式。在微型共轴双桨无人机顶端设计承载结构并预装电气结构，可满足顶端挂载任务载荷实现不同载荷灵活切换应用，或增加电池模块组，实现续航里程的增加。

附图说明

图1是本发明用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构的机构示意图；

图2是图1的侧视结构示意图；

图3是本发明用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构的立体结构示意图；

图4是本发明用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构的下桨支撑件结构示意图；

图5是本发明用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构的变距支撑座结构示意图；

图6是本发明用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构的上桨支撑件结构示意图。

附图标记说明：1、上桨组件；11、上桨毂；12、上桨叶；2、上桨驱动电机；3、下桨组件；31、下桨毂；32、下桨叶；4、下桨驱动电机；5、下桨支撑件；51、下桨支撑杆；52、下桨支撑座；61、变距底座；62、第一舵机；63、浮动支撑座；64、第二舵机；65、变距支撑座；651、轴连接结构；66、龙门式支撑架；67、上桨支撑件；671、上桨支撑座；672、上桨支撑杆；68、第一连杆机构；69、第二连杆机构；70、导向板；71、滑动杆；100、微型共轴双桨无人机主体。

具体实施方式

以下结合图1-图6对本发明作进一步详细说明。

本发明实施例公开用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法。

参照图1－图6，用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，包括上下桨机构和旋转斜盘机构，上下桨机构包括上桨组件1、上桨驱动电机2、下桨组件3和下桨驱动电机4；

下桨组件3通过轴承设置在微型共轴双桨无人机主体100的端部，下桨驱动电机4设置在下桨组件3上，并驱动下桨组件3转动，上桨组件1通过旋转斜盘机构安装在下桨组件3的上方，上桨驱动电机2设置在上桨组件1的顶部，并驱动上桨组件1的转动，旋转斜盘机构控制上桨组件1动作实现上桨组件1的螺距控制。

采用旋转斜盘机构驱动上桨单独动作的模式来实现上桨变距控制，避免上下桨旋翼面在高速飞行时因升力偏置影响发生打桨现象。

上下桨机构还包括下桨支撑件5，下桨支撑件5包括下桨支撑杆51和下桨支撑座52；

下桨支撑座52与下桨支撑杆51的一端固定连接，下桨支撑杆51的另一端通过轴承可转动安装到微型共轴双桨无人机主体100中，下桨驱动电机4套装在下桨支撑杆51的外壁上，下桨组件3包括下桨毂31和一对下桨叶32，下桨毂31套装在下桨支撑杆51的外围，并与下桨驱动电机4的主动轴的驱动下转动，一对下桨叶32安装在下桨毂31的两侧。

下桨支撑件5是整个微型共轴双桨无人机的动力部分的支撑件，可以实现自由转动，下桨支撑座52为上桨组件及旋转斜盘机构提供安装平台。

旋转斜盘机构包括变距底座61、第一舵机62、浮动支撑座63、第二舵机64、变距支撑座65、龙门式支撑架66、上桨支撑件67、第一连杆机构68和第二连杆机构69；

变距底座61可拆卸安装在下桨支撑座52上表面，第一舵机62的壳体底部可拆卸安装在变距底座61上表面，第二舵机64的壳体底部可拆卸安装在第一舵机62壳体上表面，龙门式支撑架66底部可拆卸式安装在变距底座61上表面的四周，变距支撑座65安装在龙门式支撑架66的顶部，并位于第二舵机64的上方，变距支撑座65中部设有轴连接结构651，上桨支撑件67包括上桨支撑座671和上桨支撑杆672，上桨支撑杆672的一端可拆卸安装在轴连接结构651处，上桨支撑座671安装在上桨支撑杆672的另一端，浮动支撑座63套装在上桨支撑杆672的外壁上，并位于上桨支撑杆672的外壁上下移动，第一连杆机构68的两端分别连接第一舵机62的动力输出轴和浮动支撑座63的一侧，第二连杆机构69的两端分别连接第二舵机64的动力输出轴和浮动支撑座63的一侧。

旋转斜盘机构需要实现的功能就是在正常驱动上桨组件1转动的同时，实现单独上桨组件1螺距的调整。

在正常运行时第一舵机62和第二舵机64的动力输出轴均处于自锁状态，上桨驱动电机2的动力输出轴转动驱动上桨组件1转动，下桨驱动电机4的动力输出轴转动驱动下桨组件3转动，上桨组件1和下桨组件3的配合下为整个微型共轴双桨无人机主体100提供上升力；

当上桨组件1和下桨组件3运转，特别是高速时，任何的气流扰动都有可能使下桨组件3和上桨组件1的桨叶之间出现交集的可能性，这就是通常说的打桨情况，任何的打桨情况对于无人机都是重要事故，由于共轴双桨无人机的升力主要来自下方空气的反推力，如果采用下桨组件3动作的方式实现下桨组件3变距调整，首先结构上的限制导致调整的幅度较小，导致共轴双桨无人机机动性较差，升力也较差，如果采用上下桨组件1和3同时进行调整，结构上过于复杂，稳定性也较差，为了实现变距调整，避免这种打桨事故，采用上桨组件1单独变距的模式实现，大大减小了偏置升力对变距调整的阻力，可调整的螺距也更大，带来了更大的升力，同时大大提高了共轴双桨无人机的机动性，结构上更加简洁；

具体的，第一舵机62的动力输出轴通过第一连杆机构68可以实现上桨组件1的整体偏转，从而实现变距，第二舵机642的动力输出轴通过第二连杆机构69可以实现对上桨组件1的一定角度的偏转，从而校正偏置升力带来微型共轴双桨无人机主体100姿态的偏转。

上桨组件1包括上桨毂11和一对上桨叶12，上桨毂11套装在上桨支撑杆672的外围，并与浮动支撑座63固定连接，跟随浮动支撑座63上下移动，一对上桨叶12安装在上桨毂11的两侧，上桨驱动电机2套装在上桨支撑杆672的外围，动力输出轴与上桨毂11连接。

上桨组件1实际上是随着浮动支撑座63的偏转而偏转的，可以在浮动支撑座63的带动下实现上桨单独变距。

旋转斜盘机构还包括导向件，导向件包括导向板70和滑动杆71，导向板70中部设有长位孔，导向板70的一端固定在变距支撑座65上，并位于第一连杆机构68与变距支撑座65连接侧的对面，滑动杆71的一端连接在浮动支撑座63的一侧，另一端位于导向板70的长位孔中上下移动。

第一舵机62通过第一连杆机构68驱动上桨组件1上下移动时，滑动杆71在导向板70的长位孔中移动，由于滑动杆71与浮动支撑座63固定连接，这样就为浮动支撑座63提供了偏转导向。

上桨支撑座671的上表面可用于挂载负载。

上桨支撑座671的上表面可用于挂载电池包。

上桨支撑座671位于整个微型共轴双桨无人机的顶部，可以设置法兰结构，还可预装电气结构，可满足顶端挂载任务载荷实现不同载荷灵活切换应用，或增加电池模块组，实现续航里程的增加。

下桨支撑件5和上桨支撑件67均为中空结构，用于各个电器件走线。

合理排列各部件之间的连接，最大化减少轴内过线数量，优化走线方式。

单层变距结构控制方法，实现微型共轴双桨无人机上桨单独变距，具体方法是：

当飞控系统控制下桨驱动电机4驱动下桨组件3的转速超过15转/秒时，飞控系统控制第一舵机62的动力输出轴转动，通过第一连杆机构68驱动浮动支撑座63上升5-20°。

飞控系统读取陀螺仪的数据判断微型共轴双桨无人机主体100的飞行姿态，当判断飞行姿态出现与设定偏差时，飞控系统第二舵机64的动力输出轴转动，通过第二连杆机构69共同驱动浮动支撑座63偏转，实现上桨组件1的螺距的多维度螺距控制，校正升力角度实现飞行姿态的矫正。

可以在微型共轴双桨无人机高速飞行时，采用上桨单独动作的方式实现上桨螺距控制，最大变距幅度高达20°，第一舵机62和第二舵机64的共同作用下可以实现更加平顺的变距调整，调整过程更加稳定，升力偏置带来的姿态偏转进行修正，大大提高了微型共轴双桨无人机的飞行安全性，减小高速运行中的打桨风险。

本发明实施例用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构及控制方法的实施原理为：

某时刻，飞控系统控制下桨驱动电机4驱动下桨组件3的转速达到16转/秒，飞控系统控制第一舵机62的动力输出轴转动，通过第一连杆机构68驱动浮动支撑座63偏转10°，上桨组件1和下桨组件3继续保持转速，当下桨组件3的转速达到25转/秒时，飞控系统控制第一舵机62的动力输出轴转动，通过第一连杆机构68驱动浮动支撑座63偏转幅度达到20°，避免上下桨打桨。

飞控系统读取陀螺仪的数据判断微型共轴双桨无人机主体100的飞行姿态，判断飞行姿态出现与设定偏差时，飞控系统第二舵机64的动力输出轴转动，通过第二连杆机构69驱动浮动支撑座63同时偏转，通过校正升力角度实现飞行姿态的矫正。

以上均为本发明的较佳实施例，并非以此限制本发明的保护范围，故：凡依本发明的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，其特征在于：包括上下桨机构和旋转斜盘机构，所述上下桨机构包括上桨组件（1）、上桨驱动电机（2）、下桨组件（3）和下桨驱动电机（4）；

所述下桨组件（3）通过轴承设置在微型共轴双桨无人机主体（100）的端部，所述下桨驱动电机（4）设置在下桨组件（3）上，并驱动下桨组件（3）转动，所述上桨组件（1）通过旋转斜盘机构安装在下桨组件（3）的上方，所述上桨驱动电机（2）设置在上桨组件（1）的顶部，并驱动上桨组件（1）的转动，所述旋转斜盘机构控制上桨组件（1）动作实现上桨组件（1）的螺距控制；

所述上下桨机构还包括下桨支撑件（5），所述下桨支撑件（5）包括下桨支撑杆（51）和下桨支撑座（52）；

所述下桨支撑座（52）与下桨支撑杆（51）的一端固定连接，下桨支撑杆（51）的另一端通过轴承可转动安装到微型共轴双桨无人机主体（100）中，所述下桨驱动电机（4）套装在下桨支撑杆（51）的外壁上，下桨组件（3）包括下桨毂（31）和一对下桨叶（32），所述下桨毂（31）套装在下桨支撑杆（51）的外围，并与下桨驱动电机（4）的主动轴的驱动下转动，一对下桨叶（32）安装在下桨毂（31）的两侧；

所述旋转斜盘机构包括变距底座（61）、第一舵机（62）、浮动支撑座（63）、第二舵机（64）、变距支撑座（65）、龙门式支撑架（66）、上桨支撑件（67）、第一连杆机构（68）和第二连杆机构（69）；

所述变距底座（61）可拆卸安装在下桨支撑座（52）上表面，所述第一舵机（62）的壳体底部可拆卸安装在变距底座（61）上表面，所述第二舵机（64）的壳体底部可拆卸安装在第一舵机（62）壳体上表面，所述龙门式支撑架（66）底部可拆卸式安装在变距底座（61）上表面的四周，所述变距支撑座（65）安装在龙门式支撑架（66）的顶部，并位于第二舵机（64）的上方，变距支撑座（65）中部设有轴连接结构（651），所述上桨支撑件（67）包括上桨支撑座（671）和上桨支撑杆（672），所述上桨支撑杆（672）的一端可拆卸安装在轴连接结构（651）处，上桨支撑座（671）安装在上桨支撑杆（672）的另一端，所述浮动支撑座（63）套装在上桨支撑杆（672）的外壁上，并位于上桨支撑杆（672）的外壁上下移动，所述第一连杆机构（68）的两端分别连接第一舵机（62）的动力输出轴和浮动支撑座（63）的一侧，所述第二连杆机构（69）的两端分别连接第二舵机（64）的动力输出轴和浮动支撑座（63）的一侧。

2.根据权利要求1所述的用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，其特征在于：上桨组件（1）包括上桨毂（11）和一对上桨叶（12），所述上桨毂（11）套装在上桨支撑杆（672）的外围，并与浮动支撑座（63）固定连接，跟随浮动支撑座（63）上下移动，一对上桨叶（12）安装在上桨毂（11）的两侧，上桨驱动电机（2）套装在上桨支撑杆（672）的外围，动力输出轴与上桨毂（11）连接。

3.根据权利要求2所述的用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，其特征在于：所述旋转斜盘机构还包括导向件，所述导向件包括导向板（70）和滑动杆（71），所述导向板（70）中部设有长位孔，导向板（70）的一端固定在变距支撑座（65）上，并位于第一连杆机构（68）与变距支撑座（65）连接侧的对面，所述滑动杆（71）的一端连接在浮动支撑座（63）的一侧，另一端位于导向板（70）的长位孔中上下移动。

4.根据权利要求2所述的用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，其特征在于：所述上桨支撑座（671）的上表面可用于挂载负载。

5.根据权利要求1所述的用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，其特征在于：所述上桨支撑座（671）的上表面可用于挂载电池包。

6.根据权利要求1所述的用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构，其特征在于：下桨支撑件（5）和上桨支撑件（67）均为中空结构，用于各个电器件走线。

7.单层变距结构控制方法，其特征在于：采用权利要求3所述的用于微型共轴双桨无人机的单层变距结构实现微型共轴双桨无人机上桨单独变距，具体方法是：

当飞控系统控制下桨驱动电机（4）驱动下桨组件（3）的转速超过15转/秒时，飞控系统控制第一舵机（62）的动力输出轴转动，通过第一连杆机构（68）驱动浮动支撑座（63）偏转5-20°。

8.根据权利要求7所述的单层变距结构控制方法，其特征在于：飞控系统读取陀螺仪的数据判断微型共轴双桨无人机主体（100）的飞行姿态，当判断飞行姿态出现与设定偏差时，飞控系统第二舵机（64）的动力输出轴转动，通过第二连杆机构（69）共同驱动浮动支撑座（63）偏转，实现上桨组件（1）的螺距的多维度螺距控制，校正升力角度实现飞行姿态的矫正。